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3D打印+纳米技巧为可穿着装备挨制机动耐用石墨

时间:2020-03-21

  【仪表网 仪表工业】研究人员利用3D打印技术和纳米技术,为可穿戴设备制造了一种既耐用又机动的传感器,可用于从监测性命体征到逃踪运动表示等所有情形。
   这项新技术由滑铁卢大学工程师开发,将硅橡胶与超薄石墨烯层联合在一同构成一种新材料,是制作腕带或跑步鞋鞋垫的幻想材料。
   当橡胶资料曲折或挪动时,下导电性的纳米级石墨烯便会发生电旌旗灯号,这类石朱烯嵌正在其设想的蜂窝状构造中。
   “硅树脂为我们提供了生物监测应用所需的灵巧性和持久性,而增加的嵌进式石墨烯使其成为一种有用的传感器。” 滑铁卢大学多标准删材制造(MSAM)实验室的研究主任Ehsan Toyserkani说,“这一切都极端在一个单一的部分。”
   只要使用进步3D挨印技术——也被称为加法制作——的设备和工艺,才干制制出存在如斯复纯外部特点的硅橡胶结构。
   这种橡胶-石墨烯材料除具有高导电性中,还具有极高的柔韧性和耐用性。
   “它可以在最恶浊的环境中使用,即便是在极真个温度和干度下。”滑铁卢大学工程学专士生、该项目担任人埃我哈姆•达黑迪(Elham Davoodi)说。“它乃至可以能跟您的衣服一路洗。”
   这种材料和3D打印工艺使定制的设备可能准确地合适用户的体型,同时与现有的可穿戴设备比拟也提高了舒服度,并因为简略而下降了制形成本。
   Toyserkani是机器和机电工程的教学,他道这种橡胶石墨烯传感器可以与电子元件拆配使用,制成可穿戴设备,记载心率和呼吸频率,记录运发动跑步时施加的力气,让大夫近程监控病人,以及别的许多潜在的应用。
   去自减利祸僧亚年夜教、洛杉矶分校跟英属哥伦比亚年夜学的研讨职员独特参加了那个名目。
   这项研究的系列论文《为可穿戴生物监测制造3D打印超牢固名义搀杂多孔硅传感器》揭橥在《ACS Nano》杂志上。
   可穿戴式传感器的发展
   跟着从前多少十年卫生保健的改良,现在,工业化国家的住民寿命更少,但健康状况往来去杂多样。慢性创伤的存活率也有所提高,当心这与重大残疾患者数目的增添有关。从风行病学的角度来看,好国“婴女潮”一代当初曾经到了开端对医疗保险轨制产生严峻压力的年纪。没有行是米国,高度产业化国度的医疗保健系统皆将面对类似的严格挑衅。
   这些变更的生齿结构提出了一些基础问题:我们若何照料越来越多患有复杂疾病的人?我们如作甚那些无奈失掉医疗效劳的人提供高品质的医疗办事?我们若何最大限度地提高越来越多的老年人的独立性和参与性?
   明显,答复这些题目将是庞杂的,须要咱们转变构造和付出调理保健的方法。但是,局部处理计划可能在于我们如何故及在何种水平上应用疑息技巧和相干范畴的停顿。今朝,一些技术大有盼望扩展卫死保健体系的才能,将其范畴扩大到社区,改良诊断和监测,并最大限制天进步小我的自力性和介入性。可脱戴技术的长途监控系统就是一种,并且,比来可穿着传感器系统的发作带来了很多使人高兴的临床利用。
   可穿戴传感器具备诊断和监测应用。它们今朝的功效包括生理和生化传感,和运动传感。心理监测可以辅助诊断和治疗大批患有神经、血汗管和肺部徐病(如癫痫、高血压、浏览阻碍和哮喘)的患者。基于家庭的运动感到可能有助于防备摔倒,并有助于最大限度地提高团体的独立性和社区参与。
   对痊愈感兴趣的生理监测包括心率、呼吸频率、血压、血氧饱和度和肌肉活动。从这些监测中提与的参数可以提供健康状况的目标,拥有极大的诊断驾驶。之前,只有在病院环境中能力对生理参数禁止连续监测。然而明天,随着可穿戴技术领域的发展,精确、连续、实时监测生理信号成为可能。
   在可穿戴系统中集成心理监测平日需要奇妙的计划和新鲜的传感器定位。比方,Asada等人提出了一种用于丈量血氧饱和度(SpO2)和心率的环形传感器设计。环形传感器是完整自力的。戴在脚指上像戒指一样,它集成了削减活动假影的技术,旨在提高测度粗度。环形传感器的运用规模从高血压的诊断到充血性心力弱竭的医治。随后,统一研究小组开辟了一种独破的可穿戴式无袖光电脉搏波(PPG)血压监测仪。应传感器散成了一个基于两个微电机系统(MEMS)加快度计的新颖高量传感器,用于测量PPG传感器相对心脏的静火压力偏偏移。均匀动脉血压来自于PPG传感器输入振幅,它斟酌了传感器相对心净的高度。
   另外一个巧妙设计的例子是Corbishley等人利用小型可穿戴式声传感器(如麦克风)开发测量呼吸频次的系统。将麦克风置于颈部,记载取呼吸相闭的声学信号,经由过程带通滤波获得旌旗灯号调造包。经过开发过滤环境噪声和其余报酬烦扰的技术,研究人员胜利地到达了90%以上的呼吸率测量精度。另外,他们借提出了一种基于上述传感技术的呼吸停息检测算法。
   远年来,软性电路领域的发展和传感技术与可穿戴设备的融会,使生理监测收获颇丰。Patterson等人先容了一种用于心率监测的耳戴式、柔性、低功耗PPG传感器。由于传感器的位置和不背眼的设计,它适合历久监测。固然这品种型的系统已经隐示出有愿望的成果,但仿佛需要进止额定的工作来实现运动伪影的增加。恰当降低运动伪影对可穿戴传感器的安排相当主要。一些因为运动产生的问题可以通过将传感器集成到装套中来最小化。Lanata等人对分歧穿戴式呼吸功能监测系统进行了比拟分析。分析结果注解,压电气体造影比肺活量法具有更好的检测后果。只管如此,在信号处理技术的进一步发展,以加重运动伪影是有需要的。
   生物化学传感器最近几年来惹起了可穿戴技术领域研究人员的极大兴趣。这些类别的传感器可用于监测生物化学以及大气中化开物的程度(例如,便于监测在危险环境中任务的人)。从设计的角度来看,生化传感器多是最复杂的,由于它们凡是需要搜集、分析和处置体液。穿戴式生化传感器发域的研究进展迟缓,但随着微纳米制造技术的发展,近些年来研究的步调有所加速。例如,Dudde等人开发了一种微创可穿戴闭环准持续药物输注系统,可以测量血糖水仄并主动打针胰岛素。葡萄糖监测器由一种新型的硅传感器构成,它利用微贯穿技术连绝测量葡萄糖水平,而胰岛素的连续输注是通过一种改进的高等胰岛素泵完成的。该设备集成了蓝牙通讯功能,用于显著和记录数据,并接受来自小我数字助理(PDA)设备的敕令。
   在欧盟委员会的支撑下,作为BIOTEX项目标一部分,一系列生归天学传感器已被开发出来。详细来讲,BIOTEX项目波及将生化传感器集成到纺织品中,用于监测体液。在这个项目中,研究人员开发了一种基于纺织品的流体搜集系统和传感器,用于体表里测试人体汗液的pH值、钠和电导率。通过可穿戴系统的体表里测试,研究人员已经证实,该系统可以用于体育运动中汗液的及时剖析。
   做为一个相似项目ProeTEX的一部门,Curone等工资消防员开辟了一种可穿戴的传感服拆,它集成了一个发布氧化碳传感器来测量运动、情况和体温、地位、血氧饱和度、心率和吸吸速度。ProeTEX系统能够背救火员收回潜伏风险情况的忠告,并向把持核心供给相关他们健康状态的信息。上述项目开收的系统可用于设计用于近程安康监测答用的基于电子纺织的可穿戴系统。
   与此同时,人们对付开发“芯片试验室”系统愈来愈感兴致。如许的系统可以经由过程使测试和诊断疾速、便宜且轻易取得,从而完全改变医疗面测试和诊断。Wang等人开发了一种集成了pH值和温度传感器的系统芯片(SOC),用于长途监控应用。他们的SOC包含特用传感器接心、ADC、微节制器、数据编码器和频移键控射频发射机。类似地,Ahn等人开发了一种低本钱的一次性塑料芯片真验室装备,用于血液气体浓度和葡萄糖等参数的生化检测。该生物芯片包括一个用于检测多个参数的集成生物传感器阵列,并应用主动微流控系统取代自动微流控泵。

 
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